JP6018262B2

JP6018262B2 - フライングスタートのための遅延角補償装置

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Publication number: JP6018262B2
Application number: JP2015119931A
Authority: JP
Inventors: ソングクアン; スンチョルチェ
Original assignee: LSIS Co Ltd
Current assignee: LS Electric Co Ltd
Priority date: 2014-06-16
Filing date: 2015-06-15
Publication date: 2016-11-02
Anticipated expiration: 2035-06-15
Also published as: US20150365016A1; CN105322774A; KR20150144011A; US9673734B2; EP2958227A2; ES2653159T3; CN105322774B; EP2958227B1; KR102155814B1; EP2958227A3; JP2016005430A

Description

本発明は、フライングスタートのための遅延角補償装置に関し、特に、高圧インバータのトリップや瞬時停電の発生後電源が復帰したとき、フライングスタート機能を用いて、電動機を効率的に再起動させることができるようにする。

産業現場で様々な種類の高圧インバータが用いられている。

例えば、マルチレベル高圧インバータ（Ｍｕｌｔｉ−ＬｅｖｅｌＭｅｄｉｕｍ−ＶｏｌｔａｇｅＩｎｖｅｒｔｅｒ）は、入力線間電圧の実効値が６００Ｖ以上の入力電源を有するインバータであって、出力相電圧（ＯｕｔｐｕｔＰｈａｓｅＶｏｌｔａｇｅ）は、複数の段階（Ｍｕｌｔｉ−Ｌｅｖｅｌ）を有する。

高圧インバータは、数百ｋＷ〜数十ＭＷの容量を有する大容量の電動機を駆動するのに用いられており、ファン（Ｆａｎ）、ポンプ（Ｐｕｍｐ）、圧縮機（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）、牽引（Ｔｒａｃｔｉｏｎ）、昇降（Ｈｏｉｓｔ）、コンベア（Ｃｏｎｖｅｙｏｒ）など、様々な分野で用いられる。

マルチレベル高圧インバータのうち、直列型のＨ−ブリッジインバータ（ＣａｓｃａｄｅｄＨ−ｂｒｉｄｇｅＩｎｖｅｒｔｅｒ）は、モジュール構造により拡張が容易であるという利点があるため、高圧インバータに主に用いられている。

また、単位電力セル（ＵｎｉｔＰｏｗｅｒＣｅｌｌ）は、Ｈ−ブリッジインバータ、単相ＮＰＣインバータ、単相Ｔ−ｔｙｐｅＮＰＣインバータなどに、多様に構成することができる。

図１は、高圧インバータシステム（１０）の例を示すものであり、多巻線の位相差変圧器（１１）、複数の電力セル（１２）（ＰｏｗｅｒＣｅｌｌ）、電動機（１３）からなる。

多巻線の位相差変圧器（１１）は、電源入力端と高圧インバータとの間の電気的絶縁を提供し、入力端高調波を低減する役割を果たし、各電力セル（１２）に適切な３相入力電源を提供する。電力セル（１２）は、多巻線の位相差変圧器（１１）から電源を供給され、電動機（１３）の相電圧を出力する。電動機（１３）は、高圧の３相電動機であって、誘導電動機または同期電動機が用いられる。

図２は、電力セル（１２）の例を示すものであり、３相ダイオード整流器（１２−１）と、直流端キャパシター（１２−２）（ＤＣ−ＬｉｎｋＣａｐａｃｉｔｏｒ）、及び単相フルブリッジインバータ（１２−３）（ＳｉｎｇｌｅＰｈａｓｅＦｕｌｌＢｒｉｄｇｅＩｎｖｅｒｔｅｒ）で構成される。

３相ダイオード整流器（１２−１）は、３相交流電圧を入力され、ダイオードによって整流し、直流電圧に出力する。直流端キャパシター（１２−２）は、ダイオード整流器（１２−１）から出力する直流電圧を保持し、瞬時的な電力差を補償する役割を果たす。単相フルブリッジインバータ（１２−３）は、直流端電圧から出力電圧を合成する。

一方、前記のような高圧インバータによって駆動される電動機（１３）は、通常、慣性（Ｉｎｅｒｔｉａ）が大きいため、入力電源の故障や停電などの原因によりインバータが正常に動作できない場合でも、回転子速度（ＲｏｔｏｒＳｐｅｅｄ）が大きく減少しない。よって、入力電源が故障状態から正常な状態に復帰したとき、回転子速度が零速（ＺｅｒｏＳｐｅｅｄ）になるまで待ってから、再起動をするまでには、時間がかかる。

このような問題を防止するために、高圧インバータは、入力電源が正常な状態に復帰したとき、電動機（１３）の回転子速度を推定して、再起動（Ｒｅ−Ｓｔａｒｔｉｎｇ）をすることが有利であるが、このような機能を「フライングスタート」という。

図３は、フライングスタートの初期角を設定する従来の方法の例を示すものであり、高圧インバータの出力端（電動機の入力端）で３相電圧を検出し、ＰＬＬ（３１）（ＰｈａｓｅＬｏｃｋｅｄＬｏｏｐ）を介して位相角（３２）を計算し、フライングスタートに必要な初期角として用いている。

しかし、サンプリング（Ｓａｍｐｌｉｎｇ）とフィルタリング（Ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）などにより、時間遅延が発生するため、従来の方法では、インバータの指令電圧の位相角と、実際の出力電圧の位相角が異なるようになる問題が生ずる。インバータの指令電圧の位相と、実際の出力電圧の位相が異なる状態で、フライングスタート機能を実行すると、突入電流が大きく生じ、電動機の損傷を引き起こす可能性がある。

そこで、本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであって、入力電源に瞬時的な故障が発生した後正常な状態に復帰したとき、インバータの指令電圧の位相角と、実際の出力電圧の位相角との誤差を補償し、電動機の突入電流を減少させることに、その目的がある。

上記のような目的を達成するために、本発明に係るフライングスタートのための遅延角補償装置は、インバータ出力端の３相電圧を２相停止座標系の電圧（Ｖαβ）に変換し、インバータが認可した周波数に該当する交流信号であるＶ’と、前記Ｖ’に位相角が９０度遅れる交流信号であるｑＶ’を生成し、位相角補償のための基準周波数（ω’）を生成する信号処理部と、前記Ｖ’とｑＶ’信号を回転座標変換を介してｄｑ軸電圧（Ｖｄ，Ｖｑ）に作り、前記Ｖｑを用いて位相角（θ）を生成する位相生成部と、及び、前記信号処理部で生成された基準周波数（ω’）と既に設定された遅延時間を乗じて補償位相角を算出し、前記位相生成部で生成された位相角（θ）と合算して、フライングスタートのための初期角を生成する位相補償部と、を含んでなる。

信号処理部は、前記ＶαβとＶ’との誤差に前記ｑＶ’を乗じて周波数誤差（Ｅｆ）を算出し、前記周波数誤差（Ｅｆ）に負（―）の一定値を乗じて積分した後、初期周波数（ω_c）を合算することにより、前記ω’を生成することができる。

前記位相生成部は、前記Ｖｑを比例−積分して、前記初期周波数（ω_c）と合算し、これを積分して、前記位相角（θ）を生成することができる。

本発明によると、高圧インバータの入力電源に瞬時的な故障状態が発生した後正常な状態に復帰したとき、インバータの指令電圧の位相角と、実際の出力電圧の位相角との誤差を補正して、電動機を制御することができる。

したがって、フライングスタート機能を用いるとき、電動機の突入電流を減少させることができ、高圧電動機をより安定的に運転することができるようになる。

高圧インバータシステムの例である。電力セルの構造に関する例である。従来のフライングスタート方法を説明する例である。本発明に係るフライングスタートのための遅延角補償装置の実施形態である。信号処理部の一実施形態である。位相生成部に関する一実施形態である。位相補償部に関する一実施形態である。フライングスタートの初期角を用いた起動時点を示す例である。

以下、添付の図面を参照して、本発明に係る好ましい実施形態を詳細に説明する。

図４を参照すると、本発明に係るフライングスタートのための遅延角補償装置（４０）は、信号処理部（４１）、位相生成部（４２）、及び位相補償部（４３）を含んでなり、位相角補償により指令電圧と出力電圧の位相誤差がないフライングスタートの初期角を生成する。

図５は、信号処理部（４１）の一実施形態を示すものであり、二次一般化積分器（ＳＯＧＩ：ＳｅｃｏｎｄＯｒｄｅｒＧｅｎｅｒａｌｉｚｅｄＩｎｔｅｇｒａｔｏｒ）を用いて構成できる。

信号処理部（４１）は、インバータ出力端（電動機の入力端）の電圧（Ｖａｂｃ）を入力される。インバータ出力端の相電圧（ＰｈａｓｅＶｏｌｔａｇｅ）または線間電圧（Ｌｉｎｅ−ｔｏ−Ｌｉｎｅ）の入力を受けることができ、インバータ出力端の電圧（Ｖａｂｃ）を変換行列（５０−１，Ｔαβ）を用いて、２相停止座標系の電圧（Ｖαβ）に変換する。

そして、Ｖαβを用いてインバータが認可した周波数に該当する交流信号であるＶ’と、Ｖ’に位相角（ＰｈａｓｅＡｎｇｌｅ）が９０度遅れる交流信号であるｑＶ’を生成し、位相角補償のための基準周波数（ω’）を生成する。

具体的にみると、ＶαβとフィードバックされたＶ’との差（Ｅｉ）を利得Ｋ１（５１−１）と乗じ、この信号からｑＶ’を減じ（５１−２）、ω’と乗じた後（５１−３）、積分し、Ｖ’を生成する（５１−４）。

Ｖ’は、積分された後（５２−１）、ω’と乗じられてｑＶ’になる（５２−２）。

（５１−４）の出力Ｖ’は、

と表される。このため、ＶαβとＶ’との間の伝達関数Ｄ（ｓ）は、次の式１のように表すことができる。

また、

となることから、ＶαβとｑＶ’との間の伝達関数Ｑ（ｓ）は、次の式２のように表すことができる。

Ｅｆは、周波数誤差であり、ＥｉとｑＶ’を乗じて得る（５３−１）。

ω’は、Ｅｆに負（Ｎｅｇａｔｉｖｅ）の値（−Ｋ２）を乗じ（５３−２，５３−３）、積分した後（５３−４）、初期周波数（ω_c）と合算することにより、求める（５３−５）。

位相生成部（４２）は、信号処理部（４１）から生成されたＶ’とｑＶ’信号を回転座標変換を介してｄｑ軸電圧（Ｖｄ，Ｖｑ）に作り、ｑ軸電圧Ｖｑを用いて、位相角（θ）を生成する。

図６は、位相生成部（４２）の一実施形態を示すものであり、ＰＬＬ（ＰｈａｓｅＬｏｃｋｅｄＬｏｏｐ）を用いて構成することができる。

座標変換部（６１）は、信号処理部（４１）から生成されたＶ’とｑＶ’信号を回転座標系のｄｑ軸電圧Ｖｄ，Ｖｑに作る。そして、ｑ軸電圧Ｖｑを比例−積分（６２）（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ）した後、初期周波数（ω_c）と合算する（６３）。

比例−積分（６２）は、次の式３にしたがって行うことができる。

ここで、Ｋｐは、利得であり、Ｔｉは、時定数である。

ここで、比例−積分器（６２）の出力（Ｖｆ）と、初期周波数（ω_c）とを合算した値を積分し、位相角（θ）を生成する（６４）。生成された位相角（θ）は、座標変換部（６１）にフィードバックされ、座標変換に用いられる。

図７は、位相補償部（４３）の一実施形態を示すものであり、信号処理部（４１）で生成されたω’と、既に設定された遅延時間を乗じて、補償位相角（θｃ）を算出し（７１，７２）、算出された補償位相角（θｃ）を位相生成部（４２）で生成された位相角（θ）と合算し（７３）、フライングスタートのための初期角（θ’）を生成する。

このとき、遅延は、フィルタの時定数やシステムのサンプリング時間などにより発生するものであって、このような遅延要素を考慮し、遅延時間を設定することができる。

位相補償部（４３）で生成する初期角（θ’）は、時間遅延による誤差が減少したものであるため、指令電圧の位相のような出力電圧を印加することができることから、早くて正確なフライングスタートを行うことができ、電動機の突入電流を減少させることができる。

図８は、フライングスタートの初期角を用いた起動時点を示すものであり、図８ａのように、インバータの入力電源が示されるとき、電動機の残留電圧とインバータ出力が比較されている。

入力電源に異常が発生すると、電動機に印加される電圧がないことから、電動機は、慣性によってフリーラン（ＦｒｅｅＲｕｎ）状態で動作し、インバータの出力は遮断される。

図８ｂに示されているように、フリーラン動作中、電動機の残留電圧（逆起電力）は、電動機によるが、通常、１０秒程度発生する。

従来は、図８ｃに示されているように、電動機の残留電圧が全て消滅する時点（ｔ２）まで待ってから、フライングスタート起動を開始する。

しかし、本発明に係るフライングスタートのための遅延角補償装置（４０）を用いる場合には、図８ｄに示されているように、電動機の残留電圧が発生している間であるｔ１でも、フライングスタートの起動が可能である。

上述した実施形態は、本発明の理解のためのものであり、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、当業者によって多様に変形して実施することができるものであることはもちろんである。

１０高圧インバータシステム
１１多巻線の位相差変圧器
１２電力セル
１３電動機
４０フライングスタートのための遅延角補償装置
４１信号処理部
４２位相生成部
４３位相補償部

Claims

高圧インバータのフライングスタートのための遅延角補償装置であって、
インバータ出力端の３相電圧を２相停止座標系の電圧（Ｖαβ）に変換し、インバータが認可した周波数に該当する交流信号であるＶ’と、前記Ｖ’に位相角が９０度遅れる交流信号であるｑＶ’を生成し、位相角補償のための基準周波数（ω’）を生成する信号処理部と、
前記Ｖ’とｑＶ’信号を回転座標変換を介してｄｑ軸電圧（Ｖｄ，Ｖｑ）に変換し、前記Ｖｑを用いて位相角（θ）を生成する位相生成部と、及び
前記信号処理部で生成された基準周波数（ω’）と既に設定され遅延時間を乗じて補償位相角を算出し、前記位相生成部で生成された位相角（θ）と合算し、フライングスタートのための初期角を生成する位相補償部と、を含むことを特徴とするフライングスタートのための遅延角補償装置。
前記信号処理部は、前記２相停止座標系の電圧（Ｖαβ）とＶ’との誤差に前記ｑＶ’を乗じて周波数誤差（Ｅｆ）を算出し、前記周波数誤差（Ｅｆ）に負（−）の一定値を乗じて積分した後、初期周波数（ω_c）を合算することにより、前記基準周波数（ω’）を生成する、請求項１に記載のフライングスタートのための遅延角補償装置。
前記位相生成部は、前記Ｖｑを比例−積分して、初期周波数（ω_c）と合算し、これを積分して前記位相角（θ）を生成する、請求項１または２に記載のフライングスタートのための遅延角補償装置。
前記信号処理部は、二次一般化積分器（ＳＯＧＩ）を用いて構成され、

の伝達関数に基づいて、前記Ｖ’とｑＶ’を生成する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のフライングスタートのための遅延角補償装置。